李志強(qiáng)

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

我國(guó)高速鐵路噪聲具有短時(shí)聲級(jí)高、頻率范圍寬、低頻噪聲大等特點(diǎn)［1］。為實(shí)現(xiàn)對(duì)高速鐵路噪聲的有效控制，用于高速鐵路噪聲治理的吸聲材料或結(jié)構(gòu)除了在適應(yīng)高速鐵路戶外的惡劣環(huán)境方面應(yīng)具有良好的耐候性和穩(wěn)定的物理、化學(xué)性能外，還需要在吸聲性能方面具有足夠?qū)挼挠行晭挕ｄX微穿孔板、鋁纖維板等共振型金屬吸聲材料與常用的多孔類吸聲材料相比，具有更好的耐候性和更加穩(wěn)定的物理、化學(xué)性能［2-3］，可以通過調(diào)整面板結(jié)構(gòu)、板后空腔等多個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)特定頻率附近的較寬頻帶內(nèi)的高效吸聲［4-6］，是能夠在戶外長(zhǎng)期使用且極具應(yīng)用前景的吸聲材料。但由于這2 種共振吸聲材料在共振頻率以外，特別是相鄰兩共振吸聲頻率之間的反共振頻率附近吸聲性能相對(duì)較差，目前在高速鐵路寬帶環(huán)境噪聲治理工程中應(yīng)用較少。

進(jìn)一步展寬共振吸聲結(jié)構(gòu)吸聲帶寬的方法有2 種：①將共振吸聲板作為護(hù)面板與多孔吸聲材料相結(jié)合［7］；②利用多層共振吸聲板的多模態(tài)耦合特性［2，8-12］。文獻(xiàn)［7］對(duì)第1 種方法的研究表明共振吸聲板使整體結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)峰值向低頻移動(dòng)，但降低了多孔吸聲材料在中、高頻段的吸聲系數(shù)，寬帶效果有限。文獻(xiàn)［2］設(shè)計(jì)了第1 層為鋁微穿孔板、第2 層為鋁纖維板的微孔纖維復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在180～1 600 Hz頻段的吸聲系數(shù)不小于0.6；文獻(xiàn)［12］利用雙層微穿孔板設(shè)計(jì)了具有2 個(gè)共振吸聲峰值的吸聲結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在500～2 000 Hz 頻段的吸聲系數(shù)不小于0.69。這2種雙層復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)與單層共振吸聲結(jié)構(gòu)相比有效吸聲帶寬大幅改善，但在兩共振吸聲峰值頻率之間的頻段和高于第2個(gè)共振吸聲峰值頻率的高頻段，吸聲系數(shù)仍相對(duì)較小。這2 種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高速鐵路寬頻帶的噪聲治理尚存在較大的不足。繼續(xù)增加吸聲板層數(shù)雖然可以進(jìn)一步改善吸聲性能，但經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性也大打折扣。

基于以上考慮，本文在研究鋁微穿孔板及鋁纖維板吸聲系數(shù)的關(guān)鍵影響因素基礎(chǔ)上，根據(jù)高速鐵路車外輻射噪聲頻譜特征，重新設(shè)計(jì)一種第1 層為鋁纖維板、第2 層為鋁微穿孔板的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)只使用2 層共振吸聲板，即實(shí)現(xiàn)了與既有共振吸聲結(jié)構(gòu)相比吸聲頻帶更寬、吸聲系數(shù)更高的優(yōu)異吸聲性能，其有效吸聲頻帶可充分涵蓋高速鐵路車外噪聲主要頻率成分。

1 鋁微穿孔板與鋁纖維板吸聲性能

鋁微穿孔板或鋁纖維板與一定深度的空腔組成亥姆霍茲共振吸聲結(jié)構(gòu)，在共振頻率附近通過氣流在微穿孔內(nèi)或鋁纖維間的劇烈運(yùn)動(dòng)摩擦，將聲能迅速轉(zhuǎn)化為熱能并消耗掉。單層鋁微穿孔板或鋁纖維板組成共振吸聲結(jié)構(gòu)的等效電路如圖1 所示。圖中：P為聲壓；ρ為空氣密度；c為空氣中的聲速；R為微穿孔板或鋁纖維板的聲阻；M為微穿孔板或鋁纖維板的聲質(zhì)量；ZD為空腔的阻抗。

圖1 共振吸聲結(jié)構(gòu)的等效電路

對(duì)于深度為H的空腔，對(duì)應(yīng)角頻率為ω時(shí)ZD為

吸聲系數(shù)α為

式中：r為相對(duì)聲阻，r=R/ρc；m為相對(duì)聲質(zhì)量，m=M/ρc。

對(duì)于孔徑為d、孔距為b、厚度為t的鋁微穿孔板，考慮聲波為正入射時(shí)，r和m的表達(dá)式分別為［4，8-9］

根據(jù)吸聲系數(shù)理論計(jì)算公式，設(shè)計(jì)并制作了一共振吸聲頻率為500 Hz的鋁微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，利用駐波管法測(cè)試其吸聲系數(shù)，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致，見圖2。

鋁纖維板受所采用的鋁纖維直徑、單位面積鋁纖維的用量、壓實(shí)程度等加工工藝的影響。目前尚沒有針對(duì)不同類型鋁纖維板的聲阻和聲抗的通用計(jì)算公式，其吸聲性能的研究以試驗(yàn)測(cè)試為主要方法。文獻(xiàn)［13］從鋁纖維板的組成結(jié)構(gòu)、鋁纖維板的厚度、板后空腔的深度等不同角度分析了鋁纖維板結(jié)構(gòu)對(duì)吸聲系數(shù)的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在利用鋁箔提升了鋁纖維板的聲阻后，1.3 mm厚的鋁纖維板可在較寬的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的吸聲性能，且與1.6 mm 和1.8 mm厚的鋁纖維板相比，空腔深度相同時(shí)的共振吸聲頻率更低、低頻吸聲效果更好。圖3 為空腔深度不同時(shí)1.3 mm 厚鋁纖維板的吸聲系數(shù)駐波管法測(cè)試結(jié)果?？芍?，隨空腔深度增加，鋁纖維板的共振吸聲頻率和有效吸聲的低頻下限均降低，但有效吸聲帶寬減小，且吸聲系數(shù)曲線在兩共振吸聲頻率之間的反共振頻率附近存在吸聲系數(shù)非常低的凹谷。

圖2 微穿孔板吸聲系數(shù)計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖3 空腔深度不同時(shí)1.3 mm厚鋁纖維板吸聲系數(shù)（駐波管法）

2 高速鐵路用復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖4中動(dòng)車組以300 km/h速度通過我國(guó)一高速鐵路橋梁區(qū)段時(shí)輻射噪聲源強(qiáng)頻譜特征可知，高速鐵路噪聲的聲能量主要集中在中心頻率為31.5～125 Hz的低頻段和中心頻率為315～5 000 Hz 的中、高頻段。其中在不超過125 Hz 的低頻段，由于A 計(jì)權(quán)響應(yīng)小于-16 dB，加權(quán)處理后低頻段的影響顯著減小，因此315～5 000 Hz頻段噪聲是對(duì)聲環(huán)境產(chǎn)生主要影響的成分，也是高速鐵路環(huán)境噪聲治理中需要重點(diǎn)關(guān)注的頻段。

圖4 動(dòng)車組以300 km/h 速度通過一高速鐵路橋梁區(qū)段時(shí)輻射噪聲源強(qiáng)頻譜

根據(jù)圖2、圖3 的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，單純采用1 層鋁微穿孔板或鋁纖維板制成的共振吸聲結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)的有效吸聲頻帶遠(yuǎn)不能涵蓋高速鐵路噪聲的主要頻率成分。既有雙層鋁微穿孔板［12］或第1層為鋁微穿孔板、第2 層為鋁纖維板［2］的多模態(tài)耦合共振吸聲結(jié)構(gòu)在某些頻段吸聲系數(shù)也低于0.7，不能在315～5 000 Hz全頻段有效吸收高速鐵路車外噪聲。基于高速鐵路噪聲頻譜特征，本文研究設(shè)計(jì)了第1層為鋁纖維板、第2 層為鋁微穿孔板的新型共振吸聲結(jié)構(gòu)。首先，在合理選用鋁纖維板的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整空腔的深度，利用駐波管法試驗(yàn)研究空腔深度對(duì)正入射聲波吸聲性能的影響規(guī)律。其次，在駐波管法研究的基礎(chǔ)上制作測(cè)試樣品開展混響室法吸聲系數(shù)測(cè)試，得到了該復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)對(duì)漫入射聲波的吸聲性能。

吸聲系數(shù)駐波管法測(cè)試得到的是材料對(duì)正入射平面波的吸聲系數(shù)。該方法具有測(cè)試時(shí)間短、測(cè)試用料少等優(yōu)勢(shì)，適合作為該復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)吸聲性能規(guī)律的試驗(yàn)研究方法。鋁纖維板和鋁微穿孔板在駐波管中安裝方式如圖5 所示，鋁纖維板和鋁微穿孔板之間空腔深度為D1，鋁微穿孔板后空腔深度為D2，忽略鋁纖維板和鋁微穿孔板的厚度，吸聲結(jié)構(gòu)的總厚度D=D1+D2。

圖5 鋁纖維板與鋁微穿孔板在駐波管中安裝方式

駐波管法測(cè)得不同復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)曲線見圖6。可知，1.3 mm 厚鋁纖維板單獨(dú)使用時(shí)共振吸聲頻率更低、最大吸聲系數(shù)更大，但與鋁微穿孔板組合成復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)后，1.6 mm 厚鋁纖維板可以在中、高頻段實(shí)現(xiàn)更高的吸聲系數(shù)，因此后續(xù)試驗(yàn)的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)均選用1.6 mm厚鋁纖維板。

圖6 不同復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)曲線（駐波管法）

圖7 為總厚度140 mm 和100 mm 的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)駐波管法測(cè)試結(jié)果，圖中的實(shí)線為1 層鋁纖維板及相應(yīng)深度空腔結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)曲線?？芍?，在鋁纖維板后增加鋁微穿孔板后結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)大小和有效吸聲帶寬均有大幅度改善。具體表現(xiàn)在2個(gè)方面：①兩共振吸聲頻率之間的反共振頻率附近吸聲系數(shù)得到了有效的提升；②低頻段吸聲系數(shù)提高，有效吸聲的低頻下限頻率進(jìn)一步減小。

根據(jù)厚度不同時(shí)復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)曲線隨D1和D2的變化規(guī)律可知，隨著D1減小、D2增大，在鋁纖維板的第一階共振頻率附近的頻段吸聲系數(shù)呈減小的趨勢(shì)，而在反共振頻率附近的頻段吸聲系數(shù)呈增大的趨勢(shì)，當(dāng)D1與D2接近時(shí)，有效吸聲頻帶內(nèi)的吸聲系數(shù)曲線相對(duì)平直且吸聲系數(shù)均較高。當(dāng)復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)的總厚度D為140 mm 且D1=80 mm，D2=60 mm時(shí)，在250～1 600 Hz 頻段內(nèi)吸聲系數(shù)均不小于0.8；當(dāng)復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)的總厚度D為100 mm 且D1=D2=50 mm時(shí)，在300～1 600 Hz頻段內(nèi)吸聲系數(shù)均不小于0.8。

現(xiàn)實(shí)環(huán)境中聲波在各個(gè)方向傳播，因此利用混響室法測(cè)得的對(duì)漫入射聲波的吸聲系數(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用中更具指導(dǎo)意義。根據(jù)駐波管法吸聲系數(shù)的試驗(yàn)研究成果，制作不同厚度的混響室法吸聲系數(shù)測(cè)試樣品，委托國(guó)家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心開展混響室法吸聲系數(shù)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見圖8，圖中的實(shí)線均為1 層鋁纖維板及相應(yīng)深度空腔結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)曲線。

由圖8 可知，鋁纖維板加鋁微穿孔板的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)與單層鋁纖維板吸聲結(jié)構(gòu)相比，在中、高頻段吸聲系數(shù)明顯增大，有效改善了單層鋁纖維板在反共振頻率處吸聲系數(shù)較低的問題，且在低于第一階共振吸聲頻率的低頻段吸聲系數(shù)增大，降低了有效吸聲的低頻下限?；祉懯曳ㄅc駐波管法測(cè)得的鋁微穿孔板對(duì)鋁纖維板吸聲性能的影響規(guī)律基本一致。該復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)通過合理設(shè)計(jì)D1和D2的大小，總厚度為100 mm時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)250～5 000 Hz 的吸聲系數(shù)均不小于0.8，降噪系數(shù)NRC為0.92；總厚度為140 mm 時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)220～5 000 Hz 的吸聲系數(shù)均不小于0.8，降噪系數(shù)NRC為0.93。

圖8 不同厚度時(shí)各結(jié)構(gòu)吸聲系數(shù)曲線（混響室法）

根據(jù)2種不同吸聲系數(shù)測(cè)試方法的測(cè)試結(jié)果和對(duì)比分析結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的鋁纖維板加鋁微穿孔板的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)，與只采用1 層共振吸聲材料的結(jié)構(gòu)相比，低頻效果更好，吸聲頻帶更寬。其有效吸聲帶寬和吸聲系數(shù)優(yōu)于常見的雙層多模態(tài)耦合共振吸聲結(jié)構(gòu)，在總厚度為100 mm 時(shí)有效吸聲頻帶即可充分涵蓋高速鐵路環(huán)境噪聲的主要頻率成分。隨厚度增加，低頻段吸聲性能進(jìn)一步提高。該復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)兼具高吸聲性能和穩(wěn)定的物理、化學(xué)性質(zhì)，既可以作為高速鐵路沿線聲屏障的吸聲材料，在戶外惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期使用，也可制作成吸聲墻壁、吊頂或吸聲體，用于高鐵站臺(tái)、候車室、廊道等室內(nèi)區(qū)域的噪聲治理。此外，該結(jié)構(gòu)所使用的材料均為鋁質(zhì)，后期方便回收和再利用，是一種極具應(yīng)用潛力的綠色、環(huán)保吸聲結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

1）所設(shè)計(jì)的鋁纖維板加鋁微穿孔板復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)，利用多共振模態(tài)耦合，不僅有效提高了中、高頻段吸聲系數(shù)，還降低了有效吸聲的低頻下限，有效吸聲帶寬和降噪系數(shù)均得到明顯改善。

2）所設(shè)計(jì)的鋁纖維板加鋁微穿孔板復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)，鋁微穿孔板的位置由靠近鋁纖維板逐漸向空腔底部移動(dòng)時(shí)，低頻段吸聲系數(shù)減小，高頻段吸聲系數(shù)增大，鋁微穿孔板前、后空腔大小接近時(shí)吸聲系數(shù)曲線較為平直且吸聲系數(shù)較大。

3）鋁纖維板加鋁微穿孔板的復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)總厚度不小于100 mm 時(shí)可以實(shí)現(xiàn)在250～5 000 Hz 頻段內(nèi)吸聲系數(shù)不低于0.8、降噪系數(shù)不低于0.9的優(yōu)異吸聲性能，有效吸聲頻帶充分涵蓋了高速鐵路環(huán)境噪聲的主要頻率成分。

4）該復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)有效吸聲頻帶寬，降噪系數(shù)高，綠色、環(huán)保、可回收，耐候性好，可在惡劣環(huán)境條件下長(zhǎng)期使用。將該復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用于高速鐵路噪聲防護(hù)工程，有助于推動(dòng)我國(guó)綠色鐵路建設(shè)和國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)。